食品加工中不规则切割土豆块筛选行为的离散元分析：轮廓参数与孔径特性的影响

《Food and Bioproducts Processing》：DEM analysis of the screening behavior of irregular cut potato pieces in food processing: Effects of contour parameters and aperture characteristics

　　

摘要
不规则食物颗粒尺寸和形状的变化增加了筛分和分级中的不确定性。本研究采用离散元法（DEM）构建了 42 个切块马铃薯几何模型，并在 15 种孔径条件下评估了 12 个几何参数，这些条件包括三种孔径形状和 40-60 毫米的特征尺寸。分析了颗粒几何形状与通过颗粒数量及筛区分布的关系，以及孔径形状和尺寸对通过率的影响。单参数回归表明，表面积、投影面积、投影周长和体积与通过颗粒数量具有最强的线性关联，最大 R2 值分别为 0.87、0.84、0.82 和 0.79。单个颗粒形状描述符的 R2 值未超过 0.030。然而，在 35 个尺寸 - 形状参数组合中有 20 个，添加形状描述符降低了留一法交叉验证均方根误差的平均值；宽度 - 纵横比组合的降幅最大，为 1.79 个颗粒。在假发现率校正（q < 0.05）后，厚度 - 矩形度交互作用在 15 种孔径条件中的 12 种中显著。随着特征孔径尺寸从 40 毫米增加到 60 毫米，方形、正六边形和圆形孔径的通过率分别从 15%、9% 和 7% 增加到 73%、59% 和 53%。从 55 毫米进一步扩大到 60 毫米仅使通过率提高了 10-12 个百分点，并将通过颗粒向筛面前沿移动。在所研究的条件下，尺寸相关几何参数是筛分行为的主要描述符，而颗粒形状描述符提供补充或条件信息。这些发现为不规则食物颗粒的孔径选择和筛面设计提供了定量依据。

社交媒体摘要
利用离散元法，本研究探讨了颗粒几何形状和筛孔特性如何影响不规则切块马铃薯的筛分行为。尺寸相关几何参数与颗粒通过的相关性比单个形状描述符更强，而形状效应与特定尺寸度量结合时提供补充信息。较大的孔径提高了通过率，但在较大尺寸时额外收益递减，且方形孔径始终比正六边形和圆形孔径获得更高的通过率。研究结果为孔径选择和不规则食物颗粒更高效筛分系统的设计提供了实用指导。

引言
马铃薯（学名：*Solanum tuberosum* L.）是全球第四大重要粮食作物，仅次于玉米、小麦和水稻，全球年产量约为 3.77 亿吨（Ahmed 等，2024，Tunio 等，2020）。除作为重要主粮作物外，马铃薯还是食品加工业的主要原料。马铃薯初级加工包括生产冷冻薯条、薯片、鲜切产品和脱水产品（Hu 等，2025）。作为切割后的重要质量控制步骤，筛分和分级直接影响后续热处理过程中的加热均匀性、产品产量以及最终产品质量的一致性（Pedreschi, 2012, Pu 等，2017）。此外，马铃薯块茎形状影响食品加工性能（Dean 等，2018），而块茎大小和形状是决定马铃薯商业价值的重要质量特征（Kirkman, 2007, Stark 等，2020）。形状不规则或质量差的块茎可能会增加去皮损耗和加工成本（Fan 等，2022）。振动筛分是一项重要的颗粒分级技术，广泛用于材料分离和精细加工（Jahani 等，2015, Shi 等，2025, Zhu 等，2022）。切块马铃薯是典型的形状不规则且异质的食物颗粒（Li 等，2026）。与规则颗粒相比，其运动和流动行为更为复杂（Lu 等，2015, Wang 等，2018, Wensrich 和 Katterfeld, 2012），这可能导致颗粒堆积、分级不均匀和筛分精度降低。因此，对加工过程中产生的不规则切块马铃薯进行有效的筛分和尺寸分级对于提高原料尺寸一致性、增强后续热处理均匀性以及保持产品质量稳定至关重要。

筛分性能受多种因素影响，通常可分为筛面结构参数、颗粒特性和操作条件。因此，已有大量研究探讨了决定颗粒筛分行为的因素。Xiao 等（2025）系统研究了振动频率、振幅、筛面倾角和振动方向角对分离性能的影响。Jaiswal 等（2025）分析了振动模式、振动参数、进料率和颗粒特性对颗粒分层和通过行为的影响。Shen 等（2025）阐明了颗粒尺寸分布影响振动筛分效率的机制。Davoodi 等（2019）分析了物料流动行为，并研究了孔径形状和筛面材料对筛分性能的影响。这些研究大大推进了对振动筛分机制和设备优化的理解。然而，现有研究主要集中在操作条件、筛面结构参数和相对规则的颗粒材料上，而颗粒本身的几何特征对筛分行为的影响仍缺乏足够的了解（Aghlmandi Harzanagh 等，2018, Dong 等，2013, Horabik 和 Molenda, 2016）。在食品加工业中，颗粒轮廓、大小和形状的差异可能导致颗粒通过行为和筛区分布的差异，但这些影响尚未得到系统的量化。

由 Cundall 和 Strack（1979）提出的离散元法（DEM）已被广泛应用于颗粒系统的研究（Yang 等，2024, Zhu 等，2008）。DEM 能够研究筛分过程中颗粒尺度的运动特性和微观相互作用机制。Zhang 等（2025）利用 DEM 模拟了湿煤颗粒的振动筛分。Dong 等（2013）利用 DEM 研究了振动筛面上的颗粒运动，揭示了相关的微观机制并开发了一种预测模型。然而，由于计算需求和模型开发成本，许多基于 DEM 的筛分研究仍采用理想化或简化的颗粒模型（Peng 等，2019）。这类模型无法完全表征真实不规则颗粒的轮廓不规则性、棱角特征和形状各向异性，从而限制了对颗粒碰撞、取向变化和孔径通过过程的准确描述。与真实的不规则颗粒相比，球形颗粒是各向同性的，其通过孔径不受颗粒取向的约束。这可能导致模拟与实际通过行为之间的差异（Aghlmandi Harzanagh 等，2018, Cleary, 2009, Elskamp 等，2015）。先前的研究表明，颗粒形状会显著影响颗粒运动和筛分性能（Fraige 等，2008, Wu 和 Cocks, 2006）。Liu 等（2019）利用虚拟筛分方法研究了振动模式和颗粒形状对骨料筛分结果的影响，并提出了一种形状 - 尺寸因子以提高颗粒建模和分级预测的准确性。Delaney 等（2012）发现非球形颗粒模型可以更准确地表征实际筛分过程。You 等（2018）结合 DEM 与超椭球建模，研究了不同操作条件下球形和非球形颗粒的分离行为。然而，这些研究通常集中在特定理想颗粒形状之间的比较或整体筛分结果上。对于切割操作产生的不规则食物颗粒，尚不清楚哪些可测量的几何参数最适合表征颗粒通过行为。

因此，为解决这些缺口，本研究结合 DEM 模拟与定量几何表征，研究了不同孔径配置下不规则切块马铃薯的筛分行为。与主要关注操作条件、筛面结构参数或颗粒尺寸分布的先前的研究不同，本研究考察了颗粒几何特征对筛分行为的影响。具体目标如下：(1) 比较线性尺寸、二维轮廓参数、三维几何参数和颗粒形状描述符在表征颗粒通过行为和筛区分布方面的作用；(2) 考察这些参数之间的组合效应和交互效应；以及 (3) 分析孔径形状和特征孔径尺寸对通过率和筛区分布的影响。通过将颗粒几何参数、孔径配置和筛分响应纳入统一的分析框架，本研究旨在确定最适合评估不规则食物颗粒筛分行为的几何信息，并为孔径选择和筛面设计提供定量参考。

章节片段
**颗粒模型**
切块马铃薯是人工或机械生产的，导致其尺寸和形状存在固有变异性。本研究中使用代表性的实际马铃薯切割方案生成了切块马铃薯模型。如图 1 所示，每个原型块茎沿其纵向轴平分，然后在纵向分成四个相等的部分。所得部分根据规定的切割方案进一步切割至。

**单因素回归分析**
本研究采用线性回归分析评估几何参数与通过颗粒数量之间的关系。首先，在每种孔径条件下对每个几何参数进行单独的单参数线性回归，以比较单个参数表征通过颗粒数量的能力，使用 R2 评估拟合优度。由于单参数回归无法揭示组合效应或交互效应。

**讨论**
不规则切块马铃薯几何形状的变化增加了筛分和分级中的不确定性，并可能影响筛分精度和加工产品的质量一致性。因此，明确颗粒几何特征与筛分行为之间的关系是必要的。在本研究中，开发了具有代表性尺寸和形状特征差异的切块马铃薯模型，减少了与。

**结论**
基于上述结果和讨论，我们可以得出以下主要结论：
二维轮廓参数和三维几何参数与通过颗粒数量的线性关联通常强于颗粒形状描述符。表面积、投影面积、投影周长和体积的最大 R2 值分别为 0.87、0.84、0.82 和 0.79，而单个颗粒形状描述符的 R2 值。

CRediT 作者贡献声明
欧子豪：撰写 – 原稿、可视化、软件、调查、正式分析、数据整理。
吴贝：撰写 – 审阅与编辑、验证、监督、资源、项目管理、方法论、资金获取、概念化。
李立波：软件、正式分析。
黄仰标：可视化、软件。
季邦：监督、资源。
谢芳平：监督、资源、资金获取。

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这可能被视为影响本论文报告的工作。

致谢
本研究由中国湖南省自然科学基金（2024JJ5194）和湖南农业研究系统（HARS-02）资助。

数据可用性
42 个切块马铃薯模型的几何参数数据提供在补充表 S1 中。

欧子豪 | 吴贝 | 李立波 | 黄仰标 | 季邦 | 谢芳平
湖南农业大学机电工程学院，中国湖南长沙市芙蓉区农大路 1 号，邮编 410128